Хабрахабр

GPS для навозного жука: мультимодальная система ориентирования

А есть вопросы, которые мы не задавали, но ответ от этого менее интересным не становится. Есть вопросы, которые мы задавали либо пытались на них ответить: почему небо синее, сколько звезд на небосводе, кто сильнее — белая акула или косатка и т.д. Наверное, это что-то очень важное, очень сложное и невероятно полезное. К таким вопросам можно отнести следующий — что такого важного решили исследовать ученые из Лундского (Швеция), Витватерсрандского (ЮАР), Стокгольмского (Швеция) и Вюрцбургского (Германия) университетов вместе взятых? На первый взгляд тут все тривиально, но наш мир полон вещей, которые не так просты как кажутся и жуки-навозники тому подтверждение. Ну, насчет этого однозначно сказать сложно, но это точно весьма занимательно, а именно — как ориентируются в пространстве жуки-навозники. На эти и другие вопросы мы найдем ответы в докладе исследовательской группы. Итак, что такого уникального в навигационной системе жука-навозника, как ученые это проверили и при чем тут конкуренция? Поехали.

Главный герой

В первую очередь стоит познакомиться с главным героем этого исследования. Он силен, трудолюбив, настойчив, красив и заботлив. Он — навозный жук из надсемейства скарабеоидных.

С одной стороны это немного мерзковато, но для жука-навозника это отличный источник питательных веществ, от чего большинство видов этого семейства не нуждаются в других источниках пищи и даже воды. Жуки-навозники получили свое не очень привлекательное имя ввиду своих гастрономических предпочтений. Единственным исключением является вид Deltochilum valgum, представители которого любят полакомиться многоножками.

Ареал обитания варьируется от прохладных лесов до знойных пустынь. Распространенности жуков-навозников может позавидовать большинство других живых существ, так как они обитают на всех континентах, кроме Антарктиды. Жуки-навозники предпочитают запасаться пищей на будущее. Очевидно, что большое скопление жуков-навозников проще встретить в местах обитания животных, которые являются «заводами» по производству их пищи.

Небольшой ролик про жуков-навозников и сложности их образа жизни (BBC, Дэвид Аттенборо).

Одни формируют из навоза шарики, которые катят от места сбора и закапывают в нору. Разные виды жуков обладают своими поведенческими адаптационными особенностями. А третьи, знающие поговорку о Магомете и горе, просто живут в кучках навоза. Другие копают тоннели под землей, заполняя их пищей.

Дело в том, что личинки жуков-навозников живут в том, что их родитель собрал ранее. Запасы пищи важны для жука, но не столько по причинам самосохранения, сколько по причинам заботы о будущем потомстве. И чем больше навоза, то есть пищи для личинок, тем больше вероятность, что они выживут.

Наткнулся на такую формулировку в процессе сбора информации, и звучит она как-то не очень, особенно последняя часть:

…Самцы борются за самок, упираясь ногами о стенки тоннеля, а роговидными выростами толкая соперника…Некоторые самцы не обладают рогами и потому не вступают в схватку, но обладают более крупными половыми железами и караулят самку в соседнем туннеле…

Что ж, от лирики перейдем непосредственно к самому исследованию.

Именно с таким поведением этих жуков мы лучше всего знакомы благодаря многочисленным документальным фильмам. Как я уже упоминал ранее, некоторые виды жуков-навозников формируют шарики и катят их по прямой линии, не обращая внимания на качество и сложность выбранного маршрута, в нору для хранения. Более того, они являются единственными насекомыми, которые способны ориентироваться ночью по звездам. Также нам известно, что помимо силы (некоторые виды могут поднять вес в 1000 раз превышающий их собственный), гастрономических предпочтений и заботливости о потомстве, жуки-навозники прекрасно ориентируются в пространстве.

Следовательно, чтобы побег был эффективен, нужно двигаться в одном и том же направлении все время, не сбиваясь с курса. В Южной Африке (место проведения наблюдений) жук-навозник, найдя «добычу», формирует шарик и начинает катить его по прямой линии в случайном направлении, главное подальше от конкурентов, которые не постесняются отобрать у него добытую пищу.

Высота солнца меняется в течение дня, от чего точность ориентирования снижается. Солнце является основным ориентиром, как мы уже знаем, но он не самый надежный. Логично предположить, что солнце не является единственным источником информации для ориентирования в пространстве. Почему же жуки не начинают наматывать круги, путаться в направлении и сверяться с картой каждые 2 минуты? Это не уникальная особенность, так как муравьи и даже тараканы способны использовать ветер для поиска пути. И тут ученые предположили, что вторым ориентиром для жуков служит ветер, точнее его направление.

Были проведены наблюдения и измерения в естественной среде обитания испытуемых, а также в смоделированных контролируемых лабораторных условиях. В своем труде ученые решили проверить как жуки-навозники используют эту мультимодальную сенсорную информацию, когда они предпочитают ориентироваться по солнцу, а когда по направлению ветра, и используют ли они оба варианта одновременно.

Результаты исследования

В данном исследовании роль главного испытуемого сыграл жук вида Scarabaeus lamarcki, а наблюдения в естественной среде проводились на территории фермы «Stonehenge», что недалеко Йоханнесбурга (ЮАР).


Изображение №1: изменения скорости ветра в течение суток (А), изменения направления ветра в течение суток (В).

Ночью скорость была самой низкой (<0,5 м/с), но ближе к рассвету повышалась, достигая суточного пика (3 м/с) в период с 11:00 до 13:00 (высота солнца ∼70°). Были проведены предварительные измерения скорости и направления ветра.

При этом пик скорости ветра совпадает по времени суток с пиком активности жуков Scarabaeus lamarcki. Показатели скорости примечательны тем, что превышают порог в 0,15 м/с, необходимый для менотаксической ориентации навозных жуков.

В среднем на весь маршрут уходит 6. Жуки катят свою добычу по прямой линии от места сбора на достаточно большое расстояние. 8 минуты. 1 ± 3. Следовательно, в течение этого отрезка времени они должны соблюдать маршрут максимально точно.

0°. Если же говорить о направлении ветра, то в период максимальной активности жуков (с 06:30 до 18:30) среднее изменение направления ветра в течение временного отрезка в 6 минут составляет не более 27.

Объединяя данные по скорости и направлению ветра в течение дня, ученые считают, что подобных погодных условий достаточно для мультимодального ориентирования жуков.


Изображение №2

Чтобы проверить возможное влияние ветра на характеристики ориентации навозных жуков в пространстве, была создана круглая «арена», в центре которой находилась пища. Пришло время наблюдений. Данные тесты проводились в ясные дни, когда высота солнца варьировалась в течение дня следующим образом: ≥75° (высокая), 45–60° (средняя) и 15–30° (низкая). Жуки могли свободно катить сформированные ими шарики в любом направлении от центра при наличии контролируемого стабильного воздушного потока скоростью 3 м/с.

Стоит учесть и тот факт, что склерозом жуки не страдают, а потому после первого захода запоминают выбранный ими маршрут. Изменения воздушного потока и положения солнца могут меняться на 180° между двумя заходами жука (). Зная это, ученые учитывают изменения угла выхода из арены во время последующего захода жука как один из показателей успешности ориентирования.

9 ± 79. При высоте солнца ≥75° (высокая) изменения азимута в ответ на изменение направления ветра на 180° между первым и вторым заходами были сгруппированы около 180 ° (P <0,001, V-тест) со средним изменением 166. При этом изменение положения солнца (было использовано зеркало) на 180° вызвало малозаметную реакцию 13,7 ± 89,1° (нижний круг на 2B). 3° (2B).

А вот изменения направления солнечных лучей на 180° имело обратную реакцию, то есть радикальное изменение направления маршрута жука — средняя высота: 153,9 ± 83,3°; низкая высота: −162 ± 69,4°; P <0,001 (нижние круги на , и 2D). Любопытно, что при средней и низкой высоте солнца жуки придерживались своих маршрутов, несмотря на изменения направления ветра — средняя высота: -15,9 ± 40,2 °; P < 0,001; низкая высота: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 (2C и 2D).

Для проверки этого второй группе испытуемых жуков были удалены дистальные сегменты усиков, отвечающие за обоняние. Возможно на ориентирование влияет не сам ветер, а запахи. Другими словами, разницы в степени ориентирования у жуков с и без обоняния фактически нет. Изменения маршрута в ответ на изменение направления ветра на 180°, продемонстрированные этими жуками, все еще были значительно сгруппированы вокруг 180°.

При этом в контролируемых лабораторных условиях было установлено, что ветровой компас преобладает над солнечным в случае больших высот солнца, но ситуация начинает меняться, когда солнце приближается к горизонту. Промежуточный вывод заключается в том, что навозные жуки используют в своем ориентировании солнце и ветер.

То есть жук ориентируется в любое время суток, полагаясь на самый надежный источник информации в данный конкретный момент (солнце низко — ориентир солнце; солнце высоко — ориентир ветер). Это наблюдение указывает на то, что имеет место динамическая мультимодальная компасная система, в которой взаимодействие между двумя модальностями изменяется в соответствии с сенсорной информацией.

Для этого была подготовлена арена диаметром 1 м с пищей в центре. Далее ученые решили проверить помогает ли ветер в ориентировании жуков или нет. Всего жуки осуществили 20 заходов при высоком положении солнца: 10 с ветром и 10 без ветра (2F).

Отмечается, что в ранних наблюдениях за точностью солнечного компаса изменение азимута между двумя последовательными заходами увеличивается вдвое при высоком положении солнца (> 75°) по сравнению с более низким положением (<60°). Как и ожидалось, наличие ветра увеличивало точности ориентирования жуков.

Но как жук собирает информацию о скорости и направлении ветра? Итак, мы поняли, что ветер играет важную роль в ориентировании жуков-навозников, компенсируя неточности солнечного компаса. Дабы удостовериться в этом, ученые провели тесты в помещении при постоянном потоке воздуха (3 м/с) с участием двух групп жуков — с усиками и без них (3A). Конечно, очевидней всего, что это происходит посредством усиков.


Изображение №3

В качестве основного критерия точности ориентирования выступило изменение азимута между двумя заходами при изменении направления потока воздуха на 180°.

Кроме того, среднее абсолютное изменение азимута у жуков без усиков составило 104,4 ± 36,0°, что сильно отличается от абсолютного изменения у жуков с усиками — 141,0 ± 45,0° (график на ). Изменение направления движения жуков с усиками было сгруппировано около 180°, в отличие от жуков без усиков. Однако они все еще хорошо ориентировались по солнцу. То есть жуки без усиков не могли нормально ориентироваться по ветру.

Для этого в тесте присутствовали оба ориентира (ветер + солнце) во время первого захода либо лишь один ориентир (солнце или ветер) во время второго. На изображении показана установка теста для проверки способности жуков комбинировать информацию из различных сенсорных модальностей для корректировки своего маршрута. Таким образом сравнивалась мультимодальность и унимодальность.

Наблюдения показали, что изменения направления движения жуков после перехода от мульти- к унимодальному ориентиру было сконцентрировано вокруг 0°: только ветер: −8,2 ± 64,3°; только солнце: 16,5 ± 51,6° (графики в центре и справа на 3C).

Такая характеристика ориентирования не отличалась от той, которая была получена при наличии двух (солнце + ветер) ориентиров (график слева на ).

Это говорит о том, что в контролируемых условиях жук может использовать один ориентир, если второй не предоставляет достаточной информации, то есть компенсировать неточность одного ориентира вторым.

Далее требовалось проверить насколько хорошо жуки хранят информацию об одном из ориентиров, и используют ли они ее в будущем в качестве дополнения. Если вы думаете, что ученые на этом остановились, то это не так. Также был проведен тест, где ориентиры были в обратном порядке: ветер, солнце+ветер, солнце+ветер, солнце. Для этого было проведено 4 захода: в первом был 1 ориентир (солнце), во втором и третьем был добавлен воздушный поток, а во время четвертого был только воздушный поток.

изменения в направлении движения должны группироваться около 0°. Предварительная теория заключается в том, что если жуки могут хранить информацию об обоих ориентирах в одной и той же области пространственной памяти в мозге, то они должны сохранять одинаковое направление в первом и четвертом заходах, т.е.


Изображение №4

Собранные данные по изменению азимута во время первого и четвертого заходов подтвердили вышеописанное предположение (4А), которое дополнительно было подтверждено и посредством моделирования, результаты которого изображены на графике 4С (слева).

Результаты были практически идентичны результатам тестов с применением солнца и воздушного потока. В качестве дополнительной проверки были проведены тесты, где воздушный поток был заменен на пятно ультрафиолета (4B и 4С справа).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Совокупность результатов экспериментов как в естественной среде, так и в контролируемой показала, что у жуков-навозников зрительная и механосенсорная информация сходятся в общей нейронной сети и сохраняются в виде снимка мультимодального компаса. Сравнение эффективности использования либо солнца, либо ветра в качестве ориентира показало, что жуки больше использую тот ориентир, который предоставляет им больше информации. Второй же применяется как запасной или дополняющий.

Но, как мы поняли, даже самые маленькие создания способны на сложные умственные процессы, ибо в условиях дикой природы твое выживание зависит либо от силы, либо от ума, а чаще всего от комбинации обоих. Это может показаться весьма обычным делом для нас, но не стоит забывать, что и мозг у нас намного больше, чем у маленького жучка.

Пятничный офф-топ:

За добычу дерутся даже жуки. И неважно, что добыча это шарик навоза.
(BBC Earth, Дэвид Аттенборо)

🙂
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всех выходных, ребята!

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Показать больше

Похожие публикации

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»